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摘 要

双管Buck-Boost变换器是一种具有宽输入范围的直流变换器。就工作模式而言，该变换器既可以工作在Buck模式下，又可工作在Boost模式下，控制自由度灵活，因其输入输出电压极性相同，器件应力低等特点被广泛应用于多种场合。双管Buck-Boost变换器的研究在电力电子技术的发展领域上深受关注。

本文针对该变换器的控制方法进行了分析研究。双管Buck-Boost变换器具有两个开关管，通过控制开关管的通断情况来选择相应的工作模式。双管Buck-Boost变换器共有四种工作模式，其中最为常用的模式为两模式控制，它对两个开关管分别进行控制，实现变换器的升降压调节。本文进一步分析了变换器的三种控制方法，即预测模型控制、自适应滞环滑模控制和输入电压前馈控制策略，分别对这三种方法进行了原理介绍和建模分析，通过比较后发现，变换器的输入电压前馈控制法在设计和实现上最具优势。利用Saber软件对这种方法进行了仿真验证，其结果证明了输入电压前馈法理论分析的正确性和可行性。

关键词：双管Buck-Boost变换器 模型预测 自适应滞环滑模控制 输入电压前馈控制

Research on the control methods of two-switch Buck-Boost converter

Abstract

Two-switch Buck-Boost converter is a DC converter with wide input range. In terms of working mode, the converter can be operated in both Buck mode and Boost mode. The control degree of freedom is flexible. Due to the same polarity of input and output voltage and low stress of the device, it is widely used in many applications. The research of two-switch Buck-Boost converter has attracted much attention in the field of power electronics.

This paper analyzes and studies the control method of the converter. The two-switch Buck-Boost converter has two switch tubes, and the corresponding working mode is selected by controlling the on and off status of the switch tube. The dual-tube Buck-Boost converter has four working modes, of which the most commonly used mode is two-mode control. It is to control the two switching tubes separately to achieve the step-up and step-down regulation of the converter. Then, three control methods of the converter are listed. For predictive model control, adaptive hysteresis sliding mode control and input voltage feedforward control strategy, the three methods are introduced and analyzed respectively. It is found that the input voltage feedforward control method of the converter is the most advantageous in design and implementation. This method is simulated using Saber software, and the results prove the correctness and feasibility of the theoretical analysis of the input voltage feedforward method.

Key words: Two-switch Buck-Boost converter; Predictive model control; adaptive hysteresis sliding mode control; Input voltage feedforward control strategy

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及研究目的和意义 1

1.2 国内外研究现状和发展 1

1.3 本课题的主要研究内容 2

第二章 双管Buck-Boost变换器原理及工作模式 4

2.1 双管Buck-Boost变换器原理 4

2.2 工作模式 5

2.2.1 双管同开同关工作方式 6

2.2.2 双沿工作方式 6

2.2.3 两模式工作方式 7

2.2.4 三模式工作方式 9

2.3 小结 9

第三章 双管Buck-Boost变换器控制方法 11

3.1 预测控制策略 11

3.1.1 模型预测控制的基本原理 11

3.1.2 双管Buck-Boost变换器的预测模型 12

3.1.3 变换器工作模式的选择 18

3.2 自适应滞环滑模控制方法 19

3.2.1 自适应滞环滑膜控制方法的工作原理 19

3.2.2 自适应前馈和反馈的实现 21

3.2.3 变换器进行Buck模式和Boost模式的选择 25

3.3 双管Buck-Boost变换器的输入电压前馈控制方法 26

3.3.1 工作模式自动切换的控制策略 26

3.3.2 带输入电压前馈控制方法 29

3.3.3 二者比较 35

3.4 小结 36

第四章 输入电压前馈控制方法仿真分析与讨论 37

4.1 主电路参数设计 37

4.1.1 电感L的设计 37

4.1.2 功率器件的设计 40

4.2 控制电路的设计 41

4.2.1 电压调节器的设计 41

4.2.2 脉宽调制电路的设计 42

4.3 仿真验证及分析 43

4.4 小结 47

第五章 总结与展望 48

参考文献 49

致 谢 52

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究目的和意义

随着社会的发展，电力电子技术逐渐成熟，从电能的产生、储备、输送到最后的使用都需要电力电子装置^[1]。开关电源是该领域中常用的设备。它不仅结构紧凑，重量轻，而且能量转换效率高，精度好，响应时间短。因此，其在小功率电源应用环境中代替了线性稳压电源，并且在大功率应用场合快速发展^[2]，在当前的中小型DC/DC转换中占有一席之地^[3]。

为了实现变换器的宽输入范围，理论上可以使其开关管工作在占空比无限趋近于0和1，输入电压范围可以趋近于无穷宽，但随着占空比趋近于1，电感电流纹波、输出电流纹波和功率器件峰值电流都将逐渐变大，存在开关管电压应力增大、效率低等问题，当开关管占空比在趋近于0时，会存在电压失调的问题^[4]。在实际应用中，因为Buck和Boost变换器的功能单一，无法解决这些问题，因此引入双管Buck-Boost变换器，不仅可以处理这些状况，而且还提高了系统的传递效率。因其输入输出电压同极性、器件应力低和适合较大功率变换等特性，在功率因数校正、燃料电池汽车、锂电池供电系统、通信电源和光伏并网发电等需要升降压变换的应用场合，受到了广泛关注^[5]。

1.2 国内外研究现状和发展

在1950年代，人们开始着手于开关电源的研发和使用。在一九六零年代，开关电源技术已经初具规模。不久之后，第一个达到使用规格的开关电源出现，在1980年代中期适用于所有规格的开关电源开始大批量生产。随着上游组件技术和电力电子技术水平的不断发展，开关电源迅速成为电子工业的重要产品。在接下来的20年中，开关电源的工作频率一直在增加，并且衍生了许多相关技术，此时，软开关技术问世，该技术的广泛应用彻底改变了电子功率变换器的设计。提升了变换器的转换效率并且也一定程度上的减少了对环境的污染。正是由于软开关技术的突出优势，其理论自诞生以来就显示出勃勃生机，并得到了各国专家学者的广泛赞赏，每年世界范围内都会发布大量相关文件，使用软开关技术的电子功率变换器也变得越来越流行。

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